青藏高原东部高寒草甸草地土壤物理性状对氮元素添加的响应

刘晓东，尹国丽，武均，陈建纲，马隆喜，师尚礼*

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；2.草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州 730070；

3.甘肃省天水市畜牧技术推广站，甘肃 天水 741000；4.甘肃农业大学资环学院，甘肃 兰州 730070；5.夏河县草原站，甘肃 夏河 747100)

青藏高原东部高寒草甸草地土壤物理性状对氮元素添加的响应

刘晓东1,2,3，尹国丽1,2，武均4，陈建纲1,2，马隆喜5，师尚礼1,2*

(1.甘肃农业大学草业学院，甘肃 兰州 730070；2.草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃 兰州 730070；

3.甘肃省天水市畜牧技术推广站，甘肃 天水 741000；4.甘肃农业大学资环学院，甘肃 兰州 730070；5.夏河县草原站，甘肃 夏河 747100)

摘要：依托设置于青藏高原东部夏河县桑科草原的天然草地刈割型草场培育定位试验，探讨不同氮元素添加量对高寒草甸草地土壤物理性状的影响。本试验共设4个处理，分别为对照(CK，0 kg N/hm2)、低氮(LN，50 kg N/hm2)、中氮(MN，100 kg N/hm2)、高氮(HN，150 kg N/hm2)。通过对高寒草甸草地土壤容重、孔隙度、紧实度、土壤团聚体等物理性状进行测定与分析，结果表明,MN与HN处理可显著降低0～10 cm土壤容重与土壤紧实度、增加土壤总孔隙度、非毛管孔隙度与最大持水量。20～30 cm土层中LN、MN、HN处理均可显著增加土壤容重、土壤紧实度，降低土壤总孔隙度、最大持水量。对土壤团聚体的影响，与CK处理相比MN、HN处理可显著提高各土层≥0.25 mm机械稳定性土壤团聚体含量、提升土壤团聚体平均重量直径(MWD)；较之CK处理，LN、MN处理可显著提升各土层≥0.25 mm水稳性团聚体含量，同时不同氮元素添加处理均可显著提升水稳性团聚体和MWD，表明氮元素添加对该区土壤侵蚀性有较好的抑制作用，进而减少水土和养分的流失。对地上和地下生物量的影响，MN、HN处理能显著提升草地地上生物量；MN处理显著增加了地下生物量、HN处理显著降低了地下生物量；LN处理对地上与地下生物量的影响不显著。通过试验得出结论MN处理对土壤物理性状的改善效果较好，该处理改善了土壤容重、孔隙度及土壤紧实度，提高了土壤干筛≥0.25 mm机械稳定性团聚体与湿筛≥0.25 mm水稳性团聚体含量及其稳定性(MWD)，增加了草地地上生物量和地下生物量。

关键词：高寒草甸；氮元素添加；土壤物理性状；土壤团聚体；土壤团聚体稳定性

Effects of nitrogen addition on the physical properties of soil in an alpine meadow on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau

LIU Xiao-Dong1,2,3, YIN Guo-Li1,2, WU Jun4, CHEN Jian-Gang1,2, MA Long-Xi5, SHI Shang-Li1,2*

1.CollegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 2.KeyEcosystemLaboratoryoftheMinistryofEducation,PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince,Sino-USCenterforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China;3.TianshuiAnimalHusbandryTechniqueExtensionStation,Tianshui741000,China;4.CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China; 5.Grasslandstation,Xiahecounty,Xiahe747100,China

Abstract:A 3-year study was conducted from 2012 to 2014 to determine the effects of nitrogen (N) addition on the physical properties of soil in an alpine meadow in Xiahe County on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau. The four treatments were as follows: CK (control, no N addition), LN (low N, 50 kg N/ha), MN (medium N, 100 kg N/ha), and HN (high N, 150 kg N/ha). Each N-addition treatment had three replicates of 54 m2(6 m×9 m), with a 1.5 m isolation band between adjacent plots. Analyses of soil bulk density, soil porosity, soil compaction, and soil aggregates showed that MN and HN treatments reduced soil bulk density and soil compaction, increased soil porosity and non-capillary porosity, and maximized water-holding capacity in the 0-10 cm soil layer. In the 20-30 cm soil layer, compared with CK, all N-addition treatments showed higher soil bulk density and soil compaction, reduced soil porosity, and maximized water-holding capacity. In terms of the effect of N addition on the stability of soil aggregates in the 0-30 cm soil layer, the LN, MN, and HN treatments dramatically increased the macro-aggregate content (≥0.25 mm) and MWD (mean weight diameter), with the MN treatment having the strongest effect. Compared with CK, LN and MN dramatically improved the water-stable aggregate content. All of the N-addition treatments significantly promoted soil aggregation and increased the MWD of aggregates. The results indicated that N addition could effectively prevent soil erosion, and hence, control the loss of water and soil nutrients. The MN and HN treatments significantly increased the aboveground biomass in the grassland, while underground biomass was increased in the MN treatment and decreased in the HN treatment. The results of this study showed that the MN treatment was the most beneficial treatment in terms of improving soil properties. This treatment increased soil bulk density, reduced soil porosity, and increased soil compaction, increased the content of ≥0.25 mm soil aggregates and improved aggregate stability, and increased both the aboveground and underground biomass of plants in the grassland.

Key words:alpine meadow; nitrogen addition; soil physical properties; soil aggregates; soil aggregate stability

青藏高原是全球地理系统中最为独特的单元，该区域存在极端悬殊、对比强烈的气候和植被，同时也是全球生态圈中的生态系统脆弱区、敏感区[1-2]。在过去30年，由于草地不合理利用导致青藏高原约有37%高寒草甸原植被发生退化[3]。草地退化的原因十分复杂，但从生态系统学理论的观点来看，其本质上是由于草地生态系统中能量流动和物质循环失衡所致[4]。土壤养分随着畜产品及草产品的输出被过量地带出草地，在没有得到有效添加的情况下，草地土壤供给养分的能力逐渐下降，而此对土壤理化性质有直接、深刻的影响[5]。

土壤物理性状影响着土壤水肥气热的协调性和土壤中养分、水分的运移，决定着土壤供给植被养分的能力，而土壤团聚体作为土壤基本结构单元，其数量、稳定性常作为土壤稳定性的重要指标[6]。土壤团聚体的数量、大小及分布对改善土壤环境具有重要作用，尤其对土壤养分固持、孔隙度、导水率及土壤持水能力的提升发挥着重要的作用[7]。

草地营养元素添加是维持草地生态系统养分平衡的一种重要管理措施[8-11]，氮元素添加可提高土壤中的有效氮含量，增加植物和土壤中有机碳的积累。氮元素的输入(自然氮沉降和人为氮添加)对受到氮限制的陆地生态系统碳与氮循环过程必然产生相应的变化[12-14]，同时氮元素输入提高了高寒草甸生态系统氮素的可利用性，进而对土壤以及整个生态系统的碳循环过程产生影响。然而输入到生态系统中氮的最适宜量是多少，氮元素输入对土壤物理性状造成怎样的影响。本文通过高寒草甸草地氮元素添加试验，研究了氮元素增加对土壤物理性质的影响，旨在揭示土壤容重、土壤孔隙度、土壤持水量、土壤团聚体含量及其稳定性对氮元素添加的响应，为高寒草甸的维护，草地生态系统的可持续发展和适应性管理提供科学依据。

1材料与方法

1.1　研究区自然条件及概况

甘南藏族自治州夏河县地处青藏高原东缘，海拔3000～3800 m，草地以高寒草甸为主[7]。该地区属高原大陆性气候,寒冷阴湿，植被生长期不足6个月，年均温4.2℃，最高气温29.9℃、最低气温-26.7℃，年均日照时数2296.1 h，无霜期年均56 d，年均降水量432.5 mm，降水空间及年际间分布不平衡，主要集中在5-8月，年均蒸发量1333.5 mm，约为降雨量的3倍。地带性土壤为高山草甸土，呈暗棕色，土壤微碱性且发育年轻，土层浅薄30～40 cm。

1.2　样地选择

2012-2014年于夏河县桑科草原核心地带开展试验(35°05.6′ N， 102°24.1′ E)，样地位于海拔3192 m，草地类型为高寒草甸，轻度退化草地(根据GB 19377-2003)。样地长期为冬春牧场，夏秋季休牧，休牧时期5～11月。样地植被类型为禾草类+杂草类群系，禾草类主要以垂穗披碱草(Elymusnutans)、赖草(Leymussecalinus)、草地早熟禾(Poaannua)、短花针茅(Stipabreviflora)等为主；杂草类中以冷蒿(Artemisiafrigida)、球花蒿(Artemisiasmithii)、大籽蒿(Artemisiasieversiana)、多裂委陵菜(Potentillamultifida)等为主；辅以豆科类与毒草类，豆科类为黄花棘豆(Oxytropis)、扁蓿豆(Melissitusruthenicus)、斜茎黄芪(Astragalusadsurgen)，毒草类为钝裂银莲花(Ajugaovalifolia)、小花草玉梅(Anemonerivularis)等。

1.3　试验设计

试验设置了低氮(LN，50 kg N/hm2)、中氮(MN，100 kg N/hm2)、高氮(HN，150 kg N/hm2)3个氮元素添加水平，氮源为尿素(N，46%)，同时将不添加氮元素设为对照处理(CK，0 kg N/hm2)。试验设3次重复，小区面积6 m×9 m，小区间隔离带宽1.5 m，随机区组排列，试验期间样地被围栏围封，具体处理见表1。连续3年(2012-2014年)在草地返青期(由于年际之间气象因素的不确定性，导致每年草地返青日期不统一，但一般草地返青在5月中下旬)将各处理氮元素添加总量的一半在雨前均匀地撒于小区内，剩余的氮元素在7月上旬雨前全部施入草地。

表1　处理方法描述

1.4　数据采集与测定方法

1.4.1土壤物理指标的采集与测定于2014年8月10日在每个小区内随机选取3个点挖土壤剖面，用环刀法在每个样地内按照土层深度0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm共计3层取样，每层3次重复，所采土样带回实验室进行土壤容重、总孔隙度和毛管孔隙度的测定[15]；同时在每个小区随机测定10次土壤紧实度(采用美国Fieldscout SC-900数显式土壤紧实度仪，压力分辨率为35 kPa，最大量程为0～40 cm，测压为0～7000 kPa)；土壤团聚体采用干筛法和萨维诺夫法，参考Van Bavel[16]和Mazurak[17]的计算方法。

利用平均重量直径(MWD，mm)表征团聚体稳定性[19]。

(1)

式中，Ri是某级别团聚体平均直径(mm)，wi是该级别团聚体干重(g)。

土壤最大持水量、土壤毛管持水量和毛管持水量的计算公式为[20]：

W=10000×P×h

(2)

式中，W为土壤持水量(t/hm2)；P为土壤孔隙度(%)；h为土层厚度(m)。

1.4.2地上与地下生物量采集与测定 于2014年8月10日在每个试验小区随机设置3个0.5 m×0.5 m样方，剪取整个地上部分生物量，在80℃条件下烘至恒重并称量。同时在每个已经剪取生物量的样方内，用根钻(d=8 cm)随机在样方内取10钻，每钻深度40 cm，将其带回实验室置于015目纱网中用水冲洗净泥沙后在65℃条件下烘干至恒重并称量[18]。

1.5　数据处理

采用Excel 2013进行数据预处理和图表绘制，并采用Genstat 16th软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著极差法(LSR法)进行多重比较。

2结果与分析

2.1　土壤容重和土壤总孔隙度变化

从表2可知，由于土壤受氮元素添加的影响，土壤容量变幅为1.03 g/m3(MN)～1.26 g/m3(HN)，增加了18.25%；土壤总孔隙度变幅为51.35%(HN)～61.06%(CK)，增加了15.90%；毛管孔隙度变幅为46.65%(HN)～54.31%(MN)，增加了14.11%；非毛管孔隙度最小为4.58%(LN)变化到6.88%(HN)，增加了33.43%。

在0～10 cm土层中，CK、LN处理土壤容重显著高于MN、HN处理(P<0.05)，CK、LN处理分别比MN、HN处理高了2.83%，1.89%和3.74%，2.80%；土壤总孔隙度显著性与土壤容重反之，其中MN处理土壤总孔隙度最高为61.06%；土壤毛管孔隙度各处理间无显著差异；非毛管孔隙度CK、LN处理显著低于MN、HN处理。10～20 cm土层中，HN处理土壤容重显著高于CK处理，LN、MN处理与CK、HN处理间土壤容重无显著差异；在土壤总孔隙度中CK处理总孔隙度显著高于HN处理，与LN、MN处理间无显著差异；CK处理非毛管孔隙度显著小于氮元素添加处理。在20～30 cm土层中，土壤容重呈现出与0～10 cm土层相反的趋势，MN、HN处理土壤容重显著高于LN处理，LN处理显著高于CK处理，LN、MN和HN处理分别比CK处理高0.82%，3.20%，3.97%；土壤总孔隙度中CK处理显著高于LN处理，LN处理显著高于MN、HN处理；土壤毛管孔隙度中CK处理显著高于氮元素添加处理，LN显著高于MN、HN处理；各处理间非毛管孔隙度无显著性。

表2　不同氮元素添加量处理对土壤容重和孔隙度的影响

注：表中同列不同小写字母表示统计检验不同处理间P<0.05水平差异显著，下同。

Note：Different lowercase letters stand for significant difference among different treatment atP<0.05 level, the same below.

2.2　土壤持水能力的变化

表3可以看出，在土壤剖面垂直结构上最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量均随土层深度增加而不断减小。在不同氮元素添加处理下，土壤最大持水量中，MN处理最大，为610.61 t/hm2、HN处理最低，为513.47 t/hm2；毛管持水量中MN处理最大，为543.05 t/hm2、HN处理最低，为466.45 t/hm2；非毛管持水量的变化范围在45.80～68.76 t/hm2之间。

在0～10 cm土层中，在最大持水量和非毛管吃水量中MN、HN处理均显著高于LN、CK处理，各处理毛管持水量间无差异性；在10～20 cm土层中，较之CK处理，氮元素添加处理均减小了最大持水量和毛管持水量，但非毛管持水量中反之，CK处理非毛管持水量最小；在20～30 cm土层中，氮元素添加处理也减小了最大持水量和毛管持水量，但各处理间非毛管持水量无显著差异。

表3　不同氮元素添加量处理对土壤持水能力的影响

2.3　土壤紧实度

土壤紧实度又叫土壤硬度或土壤坚实度，是土壤重要的物理性状[5]。由图1可知，土壤紧实度整体呈现出随土层加深而紧实度增加的趋势。较之CK处理，氮元素添加处理对土壤紧实度产生了影响，尤其明显改变了0～20 cm土层的紧实度。地表(0～2.5 cm)紧实度LN>CK>HN>MN，变化范围在 265.38~409.86 kPa。在2.5 cm后各处理紧实度出现分化，这种分化在2.5～20.0 cm土层内呈相反的两种趋势。CK与LN处理表现相似，在2.5 cm之后土壤紧实度继续增加，两者均在7.5 cm处出现减小的拐点，然后在15 cm处土壤紧实度又开始增加，呈反S型，但在整个过程中土壤紧实度LN>CK处理。MN与HN处理相似，在2.5 cm处两者土壤坚实度持续减小，在10 cm处出现土壤紧实度增大的拐点并持续增大，整个过程中土壤紧实度HNMN>CK>HN，其值分别为655.21,593.53,580.62,534.17 kPa。20～40 cm，各处理土壤紧实度均持续增大，HN处理增加的最剧烈，各处理平均紧实度大小排序为HN>MN>LN>CK，其值分别为1005.80,981.02,927.84,898.24 kPa。

图1　不同氮元素添加处理紧实度变化Fig.1　Variation of soil compaction under different levels nitrogen supplement

2.4　土壤团聚体

2.4.1土壤团聚体数量土壤团聚体包括机械稳定性团聚体和水稳性团聚体。机械稳定性团聚体能够反映土壤抗机械损伤的能力，水稳性团聚体能够反映土壤抗水蚀的能力[21]。通常将≥0.25 mm 的团聚体称为大团聚体，大团聚体含量越高，表明土壤结构越稳定。

图2可知，在干筛法处理下，土壤中≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量随着土层加深变化虽无明显规律，但氮元素添加处理中≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量均大于CK处理。在0～10 cm，各处理≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量的大小顺序为MN>LN>HN>CK；在10～20 cm和20～30 cm土层中，各处理≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量的大小顺序均为HN>MN>LN>CK。在湿筛法处理下，各处理土壤≥0.25 mm水稳性团聚体含量均随土层的加深呈现减小的趋势，同时氮元素添加处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量依然均大于CK处理。0～10 cm土层，各处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量的大小依次为MN>HN>LN>CK，与CK处理相比LN、MN、HN处理中≥0.25 mm水稳性团聚体含量分别提升了8.47%，13.14%，10.46%；10～20 cm，各处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量的大小依次为MN>HN>LN>CK，与CK处理相比LN、MN、HN处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量分别提升了17.06%，24.73%，19.07%。20～30 cm各处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量的大小依次为：LN>MN>HN>CK，与CK处理相比LN、MN、HN处理≥0.25 mm水稳性团聚体含量分别增加了16.93%，8.16%，5.02%。

图2　不同氮元素添加量处理的干、湿筛下≥0.25 mm土壤团聚体含量Fig.2　The content of ≥0.25 mm soil aggregate under different levels nitrogen supplement by dry and wet sieving

2.4.2土壤团聚体稳定性土壤团聚体稳定性平均重量直径(MWD)是评价土壤结构的重要评价指标，平均重量直径的增加说明土壤大团聚体(≥0.25 mm)的含量也在增加，有利于提高土壤蓄水保墒能力、增强地上植被对营养的吸收能力[7]。

由图3可知，干筛下的MWD均高于湿筛，这是由于水分的浸泡致使大量非水稳性团聚体分解。在干筛下，各处理MWD随土层深度变化无明显规律，但同土层各处理间存在显著性。0～10 cm土层，干筛MWD大小排序LN>MN>HN>CK，氮元素添加处理MWD与CK处理比较，分别是CK的1.24，1.21，1.18倍；10～20 cm土层，各处理间均有显著性，其中MN处理MWD最大、CK处理MWD最小，分别为3.34，2.98 mm；20～30 cm土层，各处理MWD大小排序为LN>MN>HN>CK，分别是CK的1.26，1.22，1.17倍。在湿筛下，各处理MWD随土层加深逐渐减小，不同土层各处理间差异显著，氮元素添加处理MWD在不同土层中显著大于对照处理(CK)。0～10 cm土层，各处理MWD大小排序为LN>HN>MN>CK；10～20 cm与20～30 cm土层，各处理MWD大小排序均为MN>>HN>LN>CK。

图3　不同氮元素添加量下土壤团聚体平均重量直径(MWD)Fig.3　The soil aggregate MWD under different levels nitrogen supplement by dry and wet sieving

不同小写字母表示统计检验不同处理间P<0.05水平差异显著，下同。Different lowercase letters stand for significant difference among different treatment atP<0.05 level, the same below.

2.5　地上生物量与地下生物量

由图4可知，草地地上生物量随着氮元素添加量的增加而增加，CK处理最低，其地上生物量为235.59 g/m2，LN、MN、HN处理地上生物量分别比CK处理增加了7.82%，37.15%，47.01%。各处理草地地下生物量大小的排序为MN>LN>CK>HN，MN处理地下生物量为1765.12 g/m2，分别比CK、LN、HN处理高14.00%，11.47%，18.58%。

图4　不同氮元素添加量处理地上及地下生物量Fig.4　Aboveground and underground biomass under different levels nitrogen addition

3讨论

3.1　不同氮元素添加量对土壤物理性质的影响

由于高寒草甸土壤系统的复杂性、滞后性和弹性[22]，氮元素添加对土壤物理性质的影响不尽相同。通过连续3年试验后，各处理土壤容重均随土层的加深而增加，土壤孔隙度则呈现出与容重相反的趋势，这与张仁陟[23]的研究结果一致，但同层土壤各处理间土壤容重有不同差异。草地地上植被与地下根系对氮素添加的不同反应是造成土壤容重变化的主要原因，这与朱德峰等[24]、黄细熹[25]的研究结果相吻合。通过当年数据表明，0～10 cm土层中MN和HN处理根系重量占根系总重的58.22%，63.29%，CK与LN处理根系重量占根系总重的42.77%，46.85%。氮元素添加使草地的地下根系的水平与垂直分布发生变化，在MN、HN处理下0～10 cm土层养分含量较高，植被根系的趋肥性[26]使得该层土壤中根系密集，良好的根部环境提高了微生物活性和数量、促进了有机质的积累，而路海东等[33]、杨宁等[34]的研究也表明有机质的积累使得土壤容重减小，因此地下根系的密集程度是造成该层土壤容重变化的主要原因。10～20 cm土层中，CK、LN、MN、HN处理根量分别占根量总重的28.21%，26.99%，22.32%，21.79%，而土壤容重大小排序为HN>MN>LN>CK，根量的减少致使土壤容重增加，但由于根量的变幅较小，导致该层土壤容重变幅亦小。20～40 cm，CK、LN、MN、HN处理根系重分别占总重的29.02%，26.16%，19.46%，14.92%， MN与HN处理地下根量的减少致使土壤容重增加，土壤资源限制性从一定程度上调节根量的变化。相较CK处理，由于其土壤资源的限制性导致根系的向下延伸以保证更多的营养吸收[27]。土壤容重的变化引起总孔隙度的改变，而且二者呈相反的趋势。

3.2　不同氮元素添加量对土壤持水能力的影响

土壤持水能力高低取决于在一定土壤厚度条件下土壤容重和孔隙的大小，土壤容重较小时土体疏松、孔隙度大、土壤持水能力强，但土壤容重增大时土壤板结、孔隙度减小、土壤的储水空间也相应减小从而降低了土壤持水能力，因此不同氮元素添加处理中土壤容重和孔隙度的变化直观地反映了氮元素添加对土壤持水能力强弱的影响[20]。在不同氮元素添加处理下MN、HN处理显著改善了0～10 cm土层的最大持水量和非毛管持水量，但各处理之间毛管持水量无显著差异。最大持水量受孔隙度的影响，其表现出与孔隙度一致的规律，植被根系对土壤持水能力有明显影响。10～30 cm土层中，由于地下生物量变化引起土壤容重改变导致土壤持水能力发生变化，CK处理最大持水量、毛管持水量均为最大。

较之CK处理，0～10 cm和10～20 cm土层中氮元素添加处理非毛管持水量均高于CK处理，20～30 cm土层中各处理间非毛管持水量无差异，说明氮素的添加一定程度上增加了非毛管孔隙度，进而增加了非毛管持水量。

3.3　不同氮元素添加量对土壤团聚体及稳定性的影响

在氮元素添加处理下，≥0.25 mm机械稳定性团聚体与≥0.25 mm水稳性团聚体含量、干筛与湿筛MWD均随土层的加深而减小，同时≥0.25 mm机械稳定性团聚体与≥0.25 mm水稳性团聚体含量及干筛、湿筛下MWD均高于CK处理，说明氮元素添加明显提高了≥0.25 mm机械稳定性团聚体与≥0.25 mm水稳性团聚体的含量，也提升土壤团聚体的稳定性(MWD)，这与刘恩科等[28]的研究结果一致。杨建国等[29]的研究指出影响≥0.25 mm团聚体的主要因素是全氮和有机质，在当年的实测数据中显示0～30 cm土层，CK处理的有机质含量最高(48.90 g/kg)，分别比LN、MN、HN处理高1.32%，1.39%，4.77%，同时CK处理的全氮含量最低(3.23 g/kg)，分别比LN、MN、HN处理低3.55%，8.34%，3.94%。土壤中有机物质转化形成的腐殖质与土壤中物理性粘粒结合，再同其他矿物质颗粒胶结成土壤团聚体，因此本研究中物理粘粒对土壤团聚体的形成有很大的影响，从而可能使得氮元素含量的高低成了影响土壤机械稳定性和水稳性团聚体稳定性的主要因素。在有机质含量相对稳定的情况下，全氮含量的影响对土壤团聚体形成的影响大于有机质[30]。虽然氮元素的添加促进了有机质的矿化速率，但根系微生物也促进着有机质的形成[31]，LN处理由于氮元素添加量较少使得土壤有机质降低有限；MN处理氮元素添加导致根的分布发生变化增加了根层的根量，同时促进了有机质的形成，但一定量的氮元素添加依旧促进了有机质的矿化，但二者之间达到了动态的平衡；HN处理过高的氮元素添加成了有机质矿化的加速剂，导致有机质显著下降[27]。

土壤机械稳定性和水稳性团聚体≥0.25 mm团聚体含量的增加，提高了土壤稳定性(MWD)，但其并不随氮元素添加量的增加而增加，说明土壤对氮元素添加量存在上限。从研究结果可以看出，LN处理由于氮元素添加的量最小，对土壤理化性质改变有限；MN处理对土壤的机械稳定性和水稳性团聚体稳定性提升效果相对最好；较之MN处理，HN处理降低了土壤的机械稳定性和水稳性团聚体稳定性。总体来说，氮元素添加可提升机械稳定性团聚体和水稳性团聚体含量及稳定性，这一现象说明适量的氮元素添加对该区土壤侵蚀性有较好的抑制作用，进而减少土水和养分的流失。土壤团聚体的形成是一个非常复杂且受诸多因素影响的过程[32]，因此氮素添加对增加团聚体含量及其提升稳定性的因素还有待进一步研究。

3.4　不同氮元素添加量对地上及地下生物量的影响

氮元素添加显著提升了地上生物量，但LN处理相比MN、HN处理提升幅度有限，说明高寒草甸地上植被对氮元素添加的量存在一定的耐受范围，而50 kg N/hm2的氮元素添加量没有达到使地上植被生物量产生质的变化的范围，因此LN处理对地上生物量的提升相较CK处理无显著差异。不同的氮元素添加处理下，MN处理在0～40 cm土层根量最高，其中MN分别高于CK、LN、HN处理14.00%，11.47%，18.58%，这更进一步的说明了土壤养分资源分布及其限制性是调节根系分布的主要因素。

4结论

通过连续3年对高寒草甸土壤进行不同氮元素添加量试验发现不同的氮元素添加量对高寒草甸土壤容重、孔隙度、土壤持水能力、紧实度均有一定的影响。MN、HN处理可显著降低0～10 cm土层土壤容重与土壤紧实度、增加土壤总孔隙度、非毛管孔隙度和最大持水量，虽然对毛管孔隙度与毛管持水量具有提升作用但不明显。在20～30 cm土层，较之CK处理，不同氮元素添加量均显著增加土壤容重与土壤紧实度、降低土壤总孔隙度与最大持水量。不同的氮元素添加量均可提升0～20 cm土层非毛管孔隙度与非毛管持水量但提升幅度有限。

干筛下，较之CK处理，MN、HN处理均可显著提高各土层≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量、提升土壤团聚体MWD，而低氮仅可显著增加和提升0～10 cm和20～30 cm土层≥0.25 mm机械稳定性团聚体含量和土壤团聚体MWD。湿筛下较之CK处理，LN、MN处理均可显著提升各土层≥0.25 mm水稳性团聚体含量，HN处理仅显著提高0～10 cm和10～20 cm土层≥0.25 mm水稳性团聚体含量，同时氮元素添加处理均可显著提升水稳性团聚体MWD。

氮元素添加处理增加了草地地上生物量，较之CK处理，LN处理可提升地上生物量，但无差异，MN和HN处理显著增加了草地地上生物量。与CK处理相比，MN处理显著提升了地下生物量，而HN处理显著降低了地下生物量。

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通讯作者*Corresponding author. E-mail：shishl@gsau.edu.cn

作者简介：刘晓东(1983-)，男，甘肃天水人，中级畜牧师，在读博士。E-mail：liuxiaodongcom@163.com

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项《青藏高原社区畜牧业》课题201203010资助。

收稿日期：2015-03-18；改回日期：2015-04-30

DOI：10.11686/cyxb2015154